خرید و دانلود نسخه کامل پایان نامه شیمی – نانولوله های کربنی

پایان نامه شیمی – نانولوله های کربنی

چکیده
تحقیقات اخیر روی نانوسیالات، افزایش قابل توجهی را در هدایت حرارتی آنها نسبت به سیالات بدون نانوذرات و یا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان می‌دهد. از دیگر تفاوت‌های این نوع سیالات، تابعیت شدید هدایت حرارتی از دما، همچنین افزایش فوق‌العاده فلاکس حرارتی بحرانی در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانوسیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می‌توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت حرارتی با تئوری‌های موجود اشاره کرد. این امر نشان دهنده ناتوانی این مدل ها در پیش‌بینی صحیح خواص نانوسیال است. بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستم‌های جدید، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدل‌ها و تئوری‌هایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد
سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاس‌های زیر صد نانومتر عملیات‌های سریع و حجیم با سرعت‌های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می‌افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار حرارتی بالا اهمیت به سزایی پیدا می‌کند، استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب‌ناپذیر است. بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود؛ لذا برای غلبه‌ بر این مشکل، به خنک کننده‌های جدید و مؤثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده‌اند. نانوسیالات به علت افزایش قابل توجه خواص حرارتی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند [2] [3]؛ در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است؛ این در حالی است که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون‌ها در غلظت‌های بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت می‌شود. در برخی از تحقیقات، هدایت حرارتی نانوسیالات، چندین برابر بیشتر از پیش‌بینی تئوری‌ها است. از دیگر نتایج بسیار جالب، تابعیت شدید هدایت حرارتی نانوسیالات از دما [4] [5] و افزایش تقریباً سه برابری فلاکس حرارتی بحرانی آنها در مقایسه با سیالات معمولی است.
مقدمه:
نانولوله‌های کربنی به عنوان یکی از دو جایگزین اصلی سیم‌ها در داخل تراشه‌ها و دیگر اجزاء الکترونیکی در دهه آینده مطرح هستند. این ساختارها نه تنها هادی خوبی برای الکتریسته هستند، بلکه فوق‌العاده کوچک‌اند، بطوری که به سازندگان اجازه استفاده از میلیاردها ترانزیستور را در یک تراشه می‌دهند.
امروزه نانولوله‌ها را می‌توان تنها در آزمایشگاه و به میزان اندک تولید کرد. دستیابی به روش‌های تولید انبوه، سالها به طول می‌انجامد.
در روش کاتالیست فلزی، نیکل، آهن یا کبالت همراه با اتمهای کربن تا ذوب شدن فلز حرارت داده می‌شوند، سپس نانولوله‌های تک‌دیواره بر روی سطح فلز مذاب تشکیل می‌شوند.
متأسفانه در این روش ذرات فلزی به نانولوله‌ها چسبیده و آنها را مغناطیسی کرده و برای استفاده در ترانزیستورها غیرقابل استفاده می‌گردانند. آویریس می‌گوید: “در هر نانولوله ذره‌ای از فلز وجود دارد که برای زدودن آنها باید نانولوله‌ها را در اسیدنیتریک جوشانید که این عمل باعث تخریب نانولوله‌ها می‌گردد.”
در روش ابداعــی شرکتIBM نانولوله‌ها تخریب نمی‌شوند. پژوهشگران، کریستالی که از لایه‌های سیلیکون و کربن تشکیل یافته را تا 1650 درجه سانتیگراد حرارت دادند. این عمل باعث تبخیر سیلیکون و باقی ماندن لایه‌‌ای از کربن می‌گردد. از آنجا
که کربن از قبل به سیلیکون متصل شده است، پس از تبخیر سیلیکون، برای پیوند با مواد دیگر آزاد می‌شود. در این حالت، پیوند کربن با خودش، موجب تشکیل لوله‌های کربنی می‍شود.
آویریس می‌گوید، ساختار اتمی که این لوله‌های کربنی اختیار می‌کنند بعداً به صورت الگویی برای آرایش لوله‌ها به کار می‌رود به طوری که می‌توان از آنها در ساخت پردازشگرها استفاده کرد. این ساختارها برای ایجاد ترانزیستور باید به صورت شبکه‌هایی از خطوط موازی تشکیل شوند.
فصل اول
تولید نانولوله های کربنی با سوزاندن گیاهان:
تولید نانولوله های کربنی با سوزاندن گیاهان:
محققین دانشگاه Northeast Normal   چین موفق به ساخت نانوتیوب های کربنی چند دیواره با قطر 50-30 نانومتر با گرم کردن چمن در حضور اکسیژن شدند.
به گفته Enbo Wang تولید نانوتیوب های حاصله از چمن دستاورد جدید و سازگار با محیط زیست است. استفاده از محصولات طبیعی تجدید پذیر به عنوان منبع کربن در حضور اکسیژن، به عنوان یک واکنش اکسیداسیونی، فواید زیادی را در حفظ و
نگهداری محیط زیست، بهرهبرداری از مزارع و محصولات طبیعی عاید انسان خواهد کرد.
در این پژوهش Wangو همکاران، پس از جمع آوری نمونه های چمن و قبل از خشک کردن، آنها را خرد کرده و در حرارت 250 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت قرار دادند . سپس مواد حاصله را در 600 درجه سانتی گراد به مدت 20 دقیقه در ظروف دربسته حاوی 15میلی لیتر اکسیژن گذاشته و پس از سرد نمودن به آن اکسیژن تزریق کرده و مجددا چرخه دمایی را تا 50 دوره تکرار کردند .
محصول این فرایند  نانوتیوبی باطول µm 1، قطر خارجی nm30-50 و قطر داخلی nm 10-30 بود که محققین بازده این آزمایش را 15% تخمین زده بودند . اخیرا با افزودن آب به این واکنش دریافتند که سنتز و خالص سازی نانوساختارها با سیستم C-H-O به راحتی ممکن می شود .
به گفته Wang این حالت ما را به دنبال روش جدیدی برای ساخت مستقیم نانولوله ها از طریق تغییر  کربوهیدرات ها و تبدیل آنها به آب و کربن خالص سوق می دهد، به طوری که نه تنها  مشکل محدودیت کربن خالص را حل می کند ، بلکه به ما ایده به دست آوردن اتم فعال کربن برای ساخت نانوتیوب ها  را هم می دهد .
به نظر  محققین پیش تیمار چمن ها باعث از بین رفتن پروتئین ها و ترکیبات روغنی می شود و در پی آن تیمار در دمای 600 درجه سانتی گراد باعث دهیدراته شدن سلولز و و تبدیل آن به ساختارهای نانوکربنی شود همانند فرایند اکسیداتیو دلیگنیفیکاسیون میشود.
اکثر گیاهان و مخصوصا چمن ها دارای آوندهایی از جنس سلولز، همی سلولز و لیگنین برای حمل و نقل مواد به سایر اندام ها می باشند. این ساختارهای لوله مانند منبعی از کربن هستند که نقش اساسی در تولید نانوتیوب ها ایفا می کنند. استفاده از همان دما بر روی کربوهیدرات هایی که فاقد شکل لوله ای هستند مانند گلوکز و ساکارز، نانو لوله های اندکی را تولید خواهد کرد . اما چوب و کنف- مواد گیاهی با ساختار لوله ای – منبع مفیدی برای تولید نانولوله ها می باشند.
به گفته  Zhenhui Kang ، نانولوله های تولیدی دارای نقص هایی در دیواره می باشند اما با این وجود از آنها می توان در کاتالیز مواد مانند کاتالیزورها استفاده نمود.
به گفتهُ وی محققان با بررسی تاثیر واکنش های  مختلف بر میزان تولید نانو لوله های کربنی به دنبال یافتن راه ایده آل  با راندمان بالا و هزینه کم می باشند که این پروسه راه جدیدی را برای گسترش ساخت نانولوله های کربنی فراهم می کند.
فصل دوم
انتقال گرما به وسیله نانوسیالات
2 . تهیه نانوسیالات
3 . انتقال حرارت در سیالات ساکن
4 . جریان، جابه‌جایی و جوشش
5 . هدایت حرارتی نانوسیال
6 . چشم‌انداز
انتقال گرما به وسیله نانوسیالات
اخیراً استفاده از نانوسیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده است. تحقیقات اخیر روی نانوسیالات، افزایش قابل توجهی را در هدایت حرارتی آنها نسبت به سیالات بدون نانوذرات و یا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان می‌دهد. از دیگر تفاوت‌های این نوع سیالات، تابعیت شدید هدایت حرارتی از دما، همچنین افزایش فوق‌العاده فلاکس حرارتی بحرانی در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانوسیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می‌توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت حرارتی با تئوری‌های موجود اشاره کرد. این امر نشان دهنده ناتوانی این مدل ها در پیش‌بینی صحیح خواص نانوسیال است. بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستم‌های جدید، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدل‌ها و تئوری‌هایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد.
سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاس‌های زیر صد نانومتر عملیات‌های سریع و حجیم با سرعت‌های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می‌افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار حرارتی بالا اهمیت به سزایی پیدا می‌کند، استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب‌ناپذیر است. بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود؛ لذا برای غلبه‌ بر این مشکل، به خنک کننده‌های جدید و مؤثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده‌اند. نانوسیالات به علت افزایش قابل توجه خواص حرارتی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی
در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند [2] [3]؛ در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است؛ این در حالی است که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون‌ها در غلظت‌های بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت می‌شود. در برخی از تحقیقات، هدایت حرارتی نانوسیالات، چندین برابر بیشتر از پیش‌بینی تئوری‌ها است. از دیگر نتایج بسیار جالب، تابعیت شدید هدایت حرارتی نانوسیالات از دما [4] [5] و افزایش تقریباً سه برابری فلاکس حرارتی بحرانی آنها در مقایسه با سیالات معمولی است [6 و7 [این تغییرات در خواص حرارتی نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده در صورت تهیه موفقیت‌آمیز و تأیید پایداری آنها، می‌تواند آینده‌ای امیدوارکننده در مدیریت حرارتی صنعت را رقم بزند. البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی، در دیگر زمینه‌ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است [8]. به هر حال تحقیق در زمینه نانوذرات، دارای آینده‌ای بسیار گسترده است .

شکل 1. تصاویر TEM از نانو سیال مس (چپ)، نانو ذرات اکسید مس (وسط) و ذرات کلوئیدی طلاسرب (راست) که در مطالعات مقاومت فصل مشترک استفاده شده اند. ذرات اکسید مس حالت خوشه ای دارند و کلوئید های طلاسرب توزیع مناسب و اندازه یکسان دارند.
2 . تهیه نانوسیالات
بهبود خواص حرارتی نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیون‌ها دارد تا از ته‌نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود. متناسب با کاربرد، انواع بسیاری از نانوسیالات از جلمه نانوسیال اکسید فلزات، نیتریت‌ها، کاربید فلزات و غیرفلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب، اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است. مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش‌های
پراکنده‌سازی آنها درسیال پایه انجام شده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول‌ را که برای تهیه نانوسیال وجود دارد ذکر می‌کنیم. یکی از روش‌های متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است [10]. در این روش ابتدا نانوذره یا نانولوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود [11] [ شکل 1. وسط]، در مرحله بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب، دیونیزه شده بسیار مناسب است [10] و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگینی، کمتر موفق بوده است
روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانوپودرها در مقیاس صنعتی را دارند
روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند [2] و [12]. در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلاء تبخیر می‌شود [14] [شکل 1. چپ[در این روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود؛ ولی با این حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد [16] [شکل 1. راست]. مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.
شکل 2. ارتباط هدایت الکتریکی با جزء حجمی نانو ذرات، بر اساس تئوری میانگین متوسط برای نانو ذرات بسیار هادی (خط چین پایین) و مدل کلوخه های متراکم
3 . انتقال حرارت در سیالات ساکن
خواص استثنایی نانوسیالات شامل هدایت حرارتی بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی، رابطه غیرخطی بین هدایت وغلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس حرارتی در منطقه جوشش است. این خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیه نسبتاً آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند. نتایج یکی از تحقیقات منتشر شده در زمینه تغییر هدایت حرارتی نانوسیال به عنوان تابعی از غلظت در شکل (2) آمده است.
بیشترین تحقیقات روی هدایت حرارتی نانوسیالات، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است .
ماسودا افزایش 30 درصدی هدایت حرارتی را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است. لی [15] افزایش 15 درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در این دو تحقیق می‌داند. قطر متوسط ذرات آلومینای بکاررفته در آزمایش اول 13نانومتر و در آزمایش دوم 33 نانومتر بوده است. زای و همکاران [20] [19] افزایش 20 درصدی را برای 50 درصد حجمی از همین نانوذرات گزارش کرده‌اند. گروه مشابهی [21] برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیدند. لی بهبود نسبتاً کمتری را در هدایت حرارتی نانوسیالات حاوی نانوذرات اکسید مس، نسبت به نانوذرات آلومنیا مشاهده کرد؛ در حالی که ونگ [24] 17 درصد افزایش هدایت حرارتی را برای فقط 4/0 درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است. برای نانوسیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای 40 درصد برای 3/0 درصد حجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است. پتل [5] افزایش بالای 21 درصد برای سوسپانسیون 11 درصد حجمی از

فایل : 105 صفحه

فرمت : Word